p As ondas gravitacionais - as ondulações invisíveis no tecido do espaço previstas por Albert Einstein - estão abrindo uma nova era da astronomia que está permitindo que os cientistas vejam partes do universo antes consideradas invisíveis, como buracos negros, matéria escura e partículas subatômicas teóricas chamadas axions. p Quase 100 anos depois que Einstein previu a existência deles como parte de sua teoria da relatividade geral, ondas gravitacionais foram detectadas pela primeira vez em 2015 por cientistas que trabalham no Laser Interferometer Gravitational Waves Observatory (LIGO), ganhando-lhes o Prêmio Nobel de Física.

p As leves perturbações captadas pelo instrumento gigante foram criadas por dois buracos negros colidindo um contra o outro a 1,3 bilhão de anos-luz da Terra. Quando esses dois objetos superpesados ​​colidiram, eles deformaram o espaço e o tempo.

p "A deformação se propaga como ondulações em um lago, "explicou o professor Paolo Pani, um físico teórico da Universidade Sapienza de Roma, Itália. "Estas são ondas gravitacionais."

p Todos os objetos com massa criarão seu próprio mergulho leve no tecido do espaço-tempo, criando o que chamamos de gravidade. Mas apenas eventos cataclísmicos envolvendo os objetos mais pesados, como buracos negros e estrelas de nêutrons, pode criar ondas gravitacionais grandes o suficiente para serem detectadas na Terra. Eles se irradiam por todo o universo na velocidade da luz, passando por quase tudo em seu caminho.

p Mas a capacidade de detectar essas ondas também está proporcionando aos astrônomos novas maneiras de olhar para o universo. O Prof. Pani está liderando o projeto DarkGRA em uma tentativa de usar ondas gravitacionais para sondar alguns dos maiores mistérios do universo, incluindo estrelas exóticas pesadas, matéria escura e os próprios buracos negros.

p Anteriormente, os astrofísicos foram forçados a inferir a presença de buracos negros observando o comportamento do material ao seu redor. Acredita-se que sejam os restos superpesados ​​de estrelas em colapso, a gravidade que produzem é tão grande que nem mesmo a luz escapa. Qualquer coisa que ultrapasse a fronteira de um buraco negro, conhecido como horizonte de eventos, fica lá.

p "É por isso que não podemos ver os buracos negros, "disse o Prof. Pani." Em vez disso, vemos uma ausência de luz neles. Os buracos negros ainda são um grande mistério. "

p Ondas gravitacionais, Contudo, estão permitindo que cientistas como o Prof. Pani os vejam diretamente. "Eles são uma espécie de mensageiro do espaço-tempo em torno desses objetos, sem usar nenhum intermediário, " ele disse.

p Ao estudar as características dessas ondas, é possível obter informações sobre a massa, rotação, raio e velocidade desses objetos anteriormente invisíveis. "O objetivo do nosso projeto é compreender as observações das ondas gravitacionais de objetos muito compactos, para que possamos descartar ou confirmar outros tipos de objetos, "disse o Prof. Pani.

p De acordo com a relatividade geral, a fusão de dois objetos muito compactos - como anãs brancas, estrelas de nêutrons ou buracos negros - farão com que o objeto final entre em colapso para formar um buraco negro. Mas existem teorias alternativas que preveem que eles também podem formar objetos de massa e raio semelhantes aos dos buracos negros, mas sem um horizonte de eventos. Esses misteriosos objetos compactos teriam, portanto, uma superfície que refletiria as ondas gravitacionais.

p "Se houver uma superfície, após uma fusão dos objetos, deve haver ecos de ondas gravitacionais, então, um sinal que é refletido da superfície, "Explicou o prof. Pani. Deve ser possível detectar esses ecos nos sinais captados aqui na Terra.

p Matéria escura

p Existe outra explicação, Contudo, que levaria a buracos negros produzindo inesperadamente ecos ou outras características de ondas gravitacionais inexplicáveis ​​- eles poderiam estar em um banho de matéria escura, uma forma hipotética de matéria que ainda não foi vista, mas que se acredita ser responsável por 85% de toda a matéria do universo. Isso também poderia produzir uma onda gravitacional reveladora distinta.

p "A matéria escura interage muito pouco com qualquer outra coisa, então é muito difícil de testar no laboratório, "disse o Prof. Pani. Mas, ao procurar sinais distintos nas ondas gravitacionais, isso poderia permitir que os cientistas 'vissem' pela primeira vez.

p Algumas observações gravitacionais só podem ser explicadas pela presença de matéria escura, que não podemos ver, ou mudando nossas leis da gravidade. Professor Ulrich Sperhake, um físico teórico da Universidade de Cambridge, REINO UNIDO, e cientista-chefe do projeto StronGrHEP, descreveu as ondas gravitacionais como uma 'nova janela para o universo' que poderia nos ajudar a desvendar esses mistérios.

p Se houver toda essa matéria escura em torno de dois buracos negros à medida que eles se fundem, então, isso absorveria energia.

p Isso significaria que em uma colisão de buraco negro como a detectada pelo LIGO, as ondas gravitacionais pareceriam um pouco diferentes do que seriam sem matéria escura.

p Um quebra-cabeça de observação sobre o qual eles poderiam esclarecer é por que as galáxias giram mais rápido do que seu tamanho sugere que deveriam. “A velocidade de rotação está relacionada com a massa que está dentro, "disse o Prof. Sperhake. Então, se uma galáxia está girando mais rápido do que a massa que podemos ver, há duas explicações possíveis:ou precisamos alterar nossas teorias fundamentais de como funciona a gravidade ou há matéria escura nas galáxias que não podemos ver.

p Uma ideia que o professor Sperhake está investigando é estender a relatividade geral de Einstein com uma nova teoria, apelidado de gravidade tensorial escalar. Isso sugere que o universo está cheio de um campo extra - semelhante a um campo magnético ou elétrico - que ainda não foi detectado.

p Isso significaria que a explosão de uma supernova de uma estrela moribunda não seria apenas visível como uma explosão de ondas gravitacionais, mas haveria um pós-brilho de ondas gravitacionais que poderíamos detectar. Poderíamos direcionar o LIGO para regiões do céu onde as estrelas explodiram - conhecidas como supernovas - para tentar detectar esse brilho residual do campo escalar que pode persistir séculos após a explosão real.

p Separadamente, O Prof. Sperhake está investigando se a matéria escura poderia ser explicada por partículas subatômicas teóricas chamadas axions. Ele está tentando modelar como seriam os ecos das ondas gravitacionais dos buracos negros se essas partículas estivessem presentes.

p "Eu diria que axions são um dos melhores candidatos para matéria escura, "disse ele. O próximo passo é aplicar seus modelos aos dados que o LIGO reúne para ver se teoria e observação combinam.

p Bela teoria

p O Dr. Richard Brito se juntou ao grupo do Prof. Pani na Itália no início deste ano como parte de seu próprio projeto, FunGraW para usar ondas gravitacionais para testar a existência de partículas de áxions. Mas ele também os usará para testar a própria teoria de Einstein e se ela pode estar incorreta em grandes escalas.

p "Se virmos objetos quase tão compactos quanto buracos negros, mas sem um horizonte de eventos, isso significa que a relatividade geral está errada nessas escalas, " ele disse.

p Pode ter implicações importantes para o dia a dia. A teoria da relatividade geral é crucial para a operação diária do GPS, por exemplo. Mas descobrir que a teoria de Einstein falha em grande escala não significa que ela deva ser descartada. Em vez, um adendo pode ser necessário.

p "Você teria dificuldade em comparar a clareza matemática da teoria de Einstein, " said Prof. Sperhake. "It is not only amazing because of all the fantastic predictions it does. It has the appeal of being a beautiful theory. And physicists interestingly regard beauty as an important ingredient in a theory."